中國921載人航天工程中的「長城一號」航天飛機方案，採用無垂尾佈局，自帶火箭發動機

　　中國在1988年提出來的4種航天飛機方案和太空梭方案，當年被譽為「五朵金花」，最後選擇了最右邊的神舟系列太空梭。

長城一號航天飛機風洞模型，經過了空氣動力試驗。

航天飛機是一種垂直起飛、水平降落的載人航天器，它以火箭發動機為動力發射到太空，能在軌道上運行，且可以往返於地球表面和近地軌道之間，可部分重複使用，由軌道器、固體燃料助推火箭和外儲箱三大部分組成。雖然世界上有許多國家都陸續進行過航天飛機的開發，但只有美國與前蘇聯實際成功發射過。

航天飛機因具有重複發射、運載量大等太空梭不可比的優越性而一度受到熱捧。但這種由200多萬零件組成的高度複雜系統，可靠性非常差。事實證明美蘇兩國設計的航天飛機並沒有達到當初設想的目標。每次發射之前的檢查、維護、修理都成為浩繁的工作。原計畫每架航天飛機的設計壽命應是20年、100次發射，但美國總共5架航天飛機加起來才發射了100多次，20年的機體壽命卻已超過，每次發射的成本也被證明遠遠高於當初設計目標。

更關鍵的是，在載人航天事業中，沒有什麼比宇航員更珍貴的，確保宇航員的生命安全，是第一重要的任務。迄今，全球歷次載人航天失事一共造成22位宇航員喪生，而在美國兩次航天飛機失事中喪生的宇航員就佔了14位，其比例之高令人吃驚。在技術和安全的雙重壓力下，蘇聯的「暴風雪」、歐洲的「赫爾梅斯」(Hermes)等航天飛機計畫相繼下馬。

中國航天飛機計畫

中國也曾有過航天飛機的研製計畫。當時在載人航天方面有太空梭與航天飛機兩條道路。美國在實現載人登月後放棄了飛船發展，轉而研發可以反覆使用的航天飛機並取得了一定的成功，但是航天飛機無法克服在發射過程中因強烈震動而造成隔熱瓦脫落的問題，而相比於航天飛機，太空梭則不存在上述情況，因而要安全得多。我國在發展載人航天的過程中是走飛船的道路還是走航天飛機的道路曾經產生過廣泛的爭論，以當時的主流意見來看，走航天飛機的發展道路佔了上風，因此在此後的一段時間中我國也全力開始了航天飛機的預研。

我國的航天飛機研製計畫最早提出於80年代中期，構想起於發展天軍的戰略，最早將其歸屬於863計畫子項目編號204的航天附屬項目中，是一個由太空梭到航天飛機的漸進構想。當時，美國航天飛機成功首飛取得了巨大的轟動，所以我國國內主導意見是上航天飛機項目，太空梭當時根本排不上號。在整整爭論了三年後，1992年中國載人航天計畫工程正式制定，提出了研製和運行以空間站為核心的載人航天系統，而天地往返系統確定為太空梭，即後來的神舟系列太空梭。當年力主太空梭方案的航天專家王希季院士回想道：「如果中國當時研製航天飛機，那麼現在載人計畫（神舟飛船）恐怕早就下馬了。

「863計畫」為中國的載人航天開闢了道路

航天技術是「863計畫」《高技術研究發展計畫綱要》七大領域中的第二領域，主題項目是：大型運載火箭及天地往返運輸系統、載人空間站系統及其應用。「863計畫」出台後,航天領域成立了兩個專家組，一是大型運載火箭及天地往返運輸系統，代號863－204；二是載人空間站系統及其應用，代號863－205。1987年，在原國防科工委的組織下，組建了「863計畫航天技術專家委員會」和主題項目專家組，對發展我國載人航天技術的總體方案和具體途徑進行全面論證。

「863—204」專家組在1987年4月發佈《關於大型運載火箭及天地往返運輸系統的概念研究和可行性論證》的招標通知，以招標方式選擇在技術方面有優勢的單位，按要求各自論證載人航天方案。航天部、航空部、國家教委、中科院、總參謀部、國防科工委等系統60多家科研單位參加了這場大論證，僅航天部所屬的單位就有一、三、五、八等四家研究院分別參加了投標。由於是科學界裡的技術概念論證，沒有太多的行政干預，所以這番討論思想相當解放，視野相當開闊，是中國航天技術發展史上前所末有的。

在不到2個月的時間裡，各競標單位提出了11種技術方案。「863—204」專家組篩選出6種方案，要求他們在1988年6月底前，完成技術可行性論證報告，以便參加高層專家的評審。雖然1987年的方案距今已有22年之久，但是我們今天翻看它們，仍然不得不為我國科學家的大膽和卓識油生敬意。

方案一: 航天部五院508所提出的載人飛船方案。這個方案看起來不那麼時髦，似乎有些落伍。它用火箭把飛船發射升空，飛船靠降落個定點返回，類似蘇聯使用的聯盟號飛船。論證方認為，飛船是一種經濟、技術難度都不很大的運輸器，在時間上能保證21世紀初期投入使用，經費上不會突破國家2000年前投資的總盤子。根據我國的國情，在很長時間內航天運輸的規模不會很大，使用一次性飛船的投資效益比會比可重複使用的航天飛機好的多。飛船可為空間站和航天飛機進行技術探路，空間站建成後還可作為太空救生艇，即使航天飛機、空天飛機研製成功，飛船也可以與其大小搭配，成為其有益的補充。

方案二: 航天部一院一部提出的天驕一號小型航天飛機方案。它與方案三的長城一號航天飛機接近，所不同的是軌道器不帶主動力，返回時利用自身結構滑翔著陸。天驕一號借助運載火箭送入軌道，即可載人又可載貨，可部分重複使用，研製週期15年，它是當時世界擁有航空技術實力的國家正在發展和準備發展的運輸器。以法國為首的歐共體集歐洲十幾個國家的力量，正在聯合攻關赫爾墨斯小型航天飛機，這種飛機以美國航天飛機為原型，縮比1／6研製。中國如完成此方案，可以為發展空天飛機和火箭飛機解決許多技術難題。

方案三: 航天部上海航天局805所與航空部604所共同提出的長城一號航天飛機方案。它垂直起飛，水平降落，部分重複使用，軌道器帶主動力可自主飛行。這個方案基本是以我國現有大型火箭為基礎，雖有一定技術風險，但並非沒有可能解決。

方案四: 航天部北京11所提出的V－2兩級火箭飛機的方案。它像火箭一樣垂直起飛，如飛機一樣水平著陸，以火箭發動機為動力，可完全重複使用。這個方案既有新型高空高速飛機的技術，又有新型氫、氧、烴火箭發動機技術，它需要先搞二個初級型，後搞最重要的軌道器部分，再搞全尺寸的火箭飛機，時間進度亦在2015年前後。

方案五: 航空部601所提出的H－2空天飛機方案。它可以像飛機一樣水平起飛和降落，使用吸氣式渦噴組合發動機，可完全重複使用。這是一種集航空、航天技術為一體的高技術方案，技術難點較多，特別是吸氣式渦噴組合發動機在國外也是一個久攻不克的難關，英國曾經提出過這種方案，後來放棄了，所以沒有可借鑒的經驗。但是它符合瞄準世界前沿的戰略思想，一旦2015年能獲成功，則我國的航空航天技術可一步到位世界先進水平，或大大縮小與世界先進水平的距離。

方案六: 航空部611所對法國正在研究的赫爾墨斯小型航天飛機的綜合分析，論證方認為法國搞的航天飛機在政治、經濟、技術背景與我國有相似之處，其總體技術與航天部一院一部提出的天驕一號小型航天飛機方案類似，是航天飛機諸方案中最省力、省時的方案。611所正在與國外開展航空技術方面的合作，可以一併引進國外的有關技術。

經過一年多的論證，專家委員會於1988年7月在哈爾濱召開了評議會。航天專家選取了五種方案進行深入論證和對比分析，分別是太空梭、不帶主動力的小型航天飛機、帶主動力的航天飛機、兩級火箭飛機和空天飛機。1988年7月20日至31日，上百位航天專家彙集哈爾濱，根據五種方案的主題報告，討論決定最終「機型」。

專家們的主導意見是：航天飛機和火箭飛機雖然是未來天地往返運輸系統可能的發展方向，但我國目前還不具備相應的技術基礎和投資力度，尚不宜作為21世紀初的跟蹤目標；帶主動力的航天飛機要解決火箭發動機的重複使用問題，難度比較大；可供進一步研究比較的是多用途飛船方案和不帶主動力的小型航天飛機方案。

    航天飛機與太空梭之爭

在仔細研究了材料後，「機型」之爭最後集中到兩個方案：一是原航天部下屬的上海八院和北京一院提交的「長城一號」航天飛機方案，二是北京五院提交的太空梭計畫。在專家的評審表上，兩個方案的得分非常接近，前者是83.69分，後者是84分。

此後，圍繞中國載人航天如何起步，飛船方案論證人員和航天飛機論證人員展開了長達3年的學術爭論。「863—204」專家組於1989年7月完成了《大型運載火箭及天地往返運輸系統可行性及概念研究綜合報告》。報告提出了由初級到高級兩步走的途徑：第—步，充分利用我國返回式衛星回收的技術，以較少的經費和較短的週期(在2000年左右)研製出初期的天地往返運輸系統—多用途飛船，使得我國盡快突破載人航天技術，解決有無問題，滿足初期空間應用的要求。第二步，在2015年左右研製出先進而經濟的天地往返運輸系統—兩級水平起降的空天飛機，以適應未來空間站大系統發展的需要。

1989年8月，國家航天領導小組辦公室主任丁衡高收到了航空航天部火箭技術研究院高技術論證組寫來的一封信，信中的主要觀點是「航天飛機方案」大大優於「多用途飛船方案」。信中提到：載人飛船作為天地往返運輸手段已經處於衰退階段，航天飛機可重複使用，代表了國際航天發展潮流，中國的載人航天應當有一個高起點。搞飛船做一個扔一個，不但不能爭光，還會給國家抹黑。而載人飛船方案論證組認為，載人飛船既可搭乘航天員，又可向空間站運輸物資，還能作為空間站軌道救生艇用，且經費較低，更符合中國的國情。航天飛機無論是造價還是維修費用以及發射場建設都相當昂貴，中國此時還不具備航天飛機的生產工藝條件。

1989年，航空航天部黨組專門委託莊逢甘、孫家棟兩位專家主持召開飛船與小型航天飛機比較論證會。論證會就在北京市阜成路8號的航天大院裡進行。這是兩種思想的第一次面對面的交鋒。航空航天部北京空間機電研究所高技術論證組組長李頤黎作為載人飛船方案的代言人，從技術可行性、國家經濟承受能力和技術風險等方面將載人飛船方案與小型航天飛機方案作了比較。李頤黎畢業於北京大學數學力學系，是錢學森當年講授《星際航行概論》時帶的四大弟子之一。

對於比較論證會，他顯然是有備而來：「歐洲發展小型航天飛機憑借的是航空技術優勢，而我國航空技術不具有優勢。歐洲小型航天飛機這條路尚未走完，技術風險大、投資風險大、研製週期長的弊病就已暴露出來了。」「美國有錢，他們有4架航天飛機，每架回來後光檢修就要半年時間，美國的航天飛機飛行一次就得4億5億美元；俄羅斯也有3架航天飛機，其中一架飛過一次，另一架正準備飛，還有一架是做試驗用的。因為沒錢，現在也飛不起了。歐空局研製的『赫爾墨斯號』小型航天飛機也是方案一變再變，進度一拖再拖，經費一加再加，盟國都不想幹了，最後只好下馬。基於上述原因，我認為，從國情出發，絕不能搞航天飛機！

這次比較論證後，航空航天部系統內逐漸達成共識：中國載人航天發展的途徑從載人飛船起步。

論證組首席專家屠善澄院士向錢學森匯報了飛船的論證情況。錢學森很認真地聽取了屠善澄的匯報，並鄭重地表示：「將來人上天這個事情，比民航飛機要複雜得多，沒有國際合作是不行的，哪個國家自己也幹不起。這是國家最高決策。在50年代要搞『兩彈』就是國家最高決策，那也不是我們這些科技工作者能定的，而是中央定的。屠善澄問：「假如人要上天，飛船作為第一步，您的意見怎麼樣呢？」。錢學森稍稍沉吟了一下：「假設要人上天，第一步可以是這樣。如果說要搞載人，那麼用簡單辦法走一段路，保持發言權，是可以的。」

雖然當時有許多人都支持航天飛機方案，但在綜合考慮了自身的技術基礎和經濟能力後，1990年5月，「863—2」專家委員會最終確定了「投資較小，風險也小，把握較大」的飛船方案，即利用我國現有的長征2E運載火箭發射一次性使用的太空梭，作為突破我國載人航天的第一步；在2010年或稍後再建成載人空間站大系統。

中國在70年代進行的早期載人航天計畫

美國亞特蘭蒂斯號航天飛機

前蘇聯的暴風雪航天飛機和重達2300噸的「能源號」運載火箭

世界航天飛機發展概況

1969年4月，美國宇航局提出建造一種可重複使用的航天運載工具的計畫。1972年1月，美國正式把研製航天飛機空間運輸系統列入計畫。經過5年時間，1977年2月研製出一架創業號航天飛機軌道器，由波音747飛機馱著進行了機載試驗。1981年4月12日，在卡納維拉爾角甘迺迪航天中心聚集著上百萬人，參觀第一架航天飛機哥倫比亞號航天飛機發射。宇航員約翰·楊（John W·Young）和克裡平（Robert L·Crippen）揭開了航天史上新的一頁。這架航天飛機總長約56米，翼展約24米，起飛重量約2040噸，起飛總推力達2800噸，最大有效載荷29.5噸。它的核心部分軌道器長37.2米，大體上與一架DC—9客機的大小相仿。每次飛行最多可載8名宇航員，飛行時間7至30天。美國共製造了七架航天飛機，試驗雛型機有企業號(Enterprise)和開拓者號(Patherfinder)兩架，正式服役的成型機有5架: 除了墜毀的挑戰者號和哥倫比亞號，還有奮進號、亞特蘭蒂斯號、發現號。從1981年至2007年6月,美國5架航天飛機進行了118次飛行。自2003年哥倫比亞號失事以來，美國剩餘的3架航天飛機長期處於停飛狀態, 並將於2010年全部退役。

1988年11月15日莫斯科時間清晨6時整，前蘇聯的暴風雪號航天飛機從拜科努爾航天中心首次發射升空，47分鐘後進入距地面250千米的圓形軌道。它繞地球飛行兩圈，在太空遨遊3小時後，按預定計畫於9時25分安全返航，準確降落在離發射地點12千米外的混凝土跑道上，完成了一次無人駕駛的試驗飛行。暴風雪號航天飛機大小與普通大型客機相差無幾，機翼呈三角形。機長36米、高16米，翼展24米，機身直徑5.6米，起飛重量105噸，返回後著陸重量為82噸。它有一個長18.3米、直徑4.7米的大型貨艙，能把30噸貨物送上近地軌道，將20噸貨物運回地面。頭部有一容積70立方米的乘員座艙，可乘10人，設計飛行壽命100次。

前蘇聯總共製成了5艘航天飛機，其中兩艘完全完工，一艘命名為「暴風雪」，另一艘命名為「小鳥」。另外3艘沒有完全完工，其中的一艘目前在莫斯科，用來做飯店。另一艘代號為「暴風雪OK－GLI」，它曾經在地球大氣層中進行了25次飛行試驗，是「暴風雪」號航天飛機中唯一的一架具有發動機的試驗型航天飛機。那艘進入太空的「暴風雪」航天飛機後來閒置在拜科努爾火箭發射場的機庫中，2002年5月由於機庫房頂倒塌而毀壞。蘇聯航天飛機的發展與美國相比起步較晚，但技術毫不遜色於美國。1988年首飛後，用於「暴風雪」計畫的資金瀕臨耗盡：僅僅是開發航天飛機系統本身就花費了13億盧布之巨，整個項目的開銷超過了200億盧布。前蘇聯當局也逐漸考慮起龐大的投資與發展航天飛機帶來的益處之間的關係。1991年12月25日蘇聯解體，航天飛機計畫被擱置。

粗略上看蘇美的航天飛機極為相似，但設計思想有很大差別。其主要區別，一是蘇聯航天飛機尾部沒有主火箭發動機，而美國航天飛機尾部有三台主火箭發動機。前蘇聯的航天飛機發射時主要靠重達2300噸的「能源號」運載火箭送入軌道，返回主要靠降落傘，功能結構都比美國的航天飛機簡單，但更能經受風雨和惡劣氣候，安全係數更高。二是蘇聯航天飛機的設計有效載荷為100噸而美國航天飛機有效載荷只有30噸；三是蘇聯航天飛機有彈射救生裝置在緊急情況下能彈射出航天員，而美國航天員在緊急情況下只能等死；四是美國航天飛機只能作載人飛行，而蘇聯的航天飛機除此之外還能作無人飛行.

中國的航天飛機計畫介於美蘇航天飛機之間，有輔助動力系統和變軌發動機，貨艙可裝機械手，起飛也和暴風雪號一樣靠大型運載火箭送入軌道，變軌發動機使飛機具有一定範圍的軌道活動能力，能在較近軌道維修和捕獲衛星，返回時由輔助動力系統進入大氣外層並靠滑翔接近地面，之後在降落傘減速下安全降落。相比美國前蘇聯航天飛機更小一些，載重也低一些，但成本更低，安全性接近於暴風雪。

歐洲也曾研製過航天飛機，1976年法國國家空間研究中心在研究用阿里安5號運載火箭發射載人的天地往返運輸器，經過法國宇航工業公司兩年的概念研究，於1983年法國國家空間研究中心決定選用高超聲速滑翔機作為載人型天地往返運輸系統的方案，並以希臘神話中的神使赫爾墨斯命名。1986年3月，法國向歐洲太空局提交歐洲化的赫爾墨斯航天飛機計畫。同年6月，歐洲太空局將赫爾墨斯列入歐洲太空局計畫。預計研製總經費約20億美元。赫爾墨斯航天飛機是一種可以重複使用的有翼高超聲速滑翔機，上升時本身沒有動力，靠阿里安5號火箭發射。從1976～1988年的12年概念研究中，赫爾墨斯計畫經過多次變動。1986年3月法國向歐洲太空局提交的赫爾墨斯方案是：機身呈准圓柱體，機翼為大後掠三角翼，無尾翼。機身長17.9米，翼展11米，機身高5.1米，機身直徑3.4米，近地軌道載荷4.5噸，乘員6人，起飛重25.168噸。由於經費和技術問題，赫爾墨斯計畫已取消。

航天飛機技術難點

航天飛機屬尖端太空科技，主要技術難點在以下4點：

1、熱防護技術

航天飛機在再入時因氣流加熱，部分區域溫度可達1000度以上，熱防護要求比火箭和飛船更高。為此，航天飛機的大部分外表面都用99%氧化硅纖維瓦，溫度不太高的部位用有硅塗層的聚芳酰胺纖維氈，高溫部位用增強的碳/碳帽和碳基防熱瓦。前兩種材料已於90年代由南京纖維研究院和大連合成纖維研究所研製開發成功，2005年，碳/碳合金材料技術被中南大學校長兼院士黃伯雲攻克，該技術不僅能用於飛機剎車片，也能用於航天飛機。

2、應急救生技術

為確保載人安全飛行，航天飛機在發射台、起飛和降落期間都必須採取相應的應急救生措施。如暴風雪號在發射台附近設有應急逃逸通道便於在發射時出現危險故障逃離，機載計算機能根據情況在發射前有效終止發射，在發射倒數計和再入返回出現危險時可用彈射救生坐椅逃逸，還有起飛爬升階段採用整機完整脫離火箭的返回措施等。我國在90年代就有了世界一流的火箭緊急停止技術，2005年為神六發射，又研製開發了獨步全球的逃逸塔，中國航天在安全性和快速逃生方面具有不落後於美俄的特有技術。

3、環境控制和生命保障技術

前蘇聯已研製出基於化學再循環過程的閉路生命保障系統，該系統通過化學方法把宇航員的尿液變成氧氣、氫氣和能飲用水，氧氣供宇航員呼吸，氫氣和宇航員呼出的二氧化碳合成甲烷用作火箭的推進劑。相比前蘇聯目前我國這方面略有不足，神7發射至少推遲半年據說就是因為在改進該項技術，相信要不了多久，這項技術我們也能迎頭趕上。

4、軌道機動和反作用控制技術

該技術是為航天飛機（軌道飛行器）在空間的各種機動飛行提供保證的技術，包括入軌機動、軌道修正、軌道變換、空間交會、各個方向上的姿態穩定和控制、脫離運行軌道和再入大氣層技等，其技術關鍵是軌道機動發動機和反作用控制發動機（姿控發動機）的性能和配置以及工作方式，必須滿足在空間低溫真空環境下能多次起動和可靠工作的要求（如點火次數在3-20次之間，每次工作時間在2-100秒之間、高可靠性和可維修性等），由此產生了推進劑選擇、系統選擇、高空點火、冷卻等一系列高難技術。

目前從掌握到的情況來看，美國航天飛機使用的軌道機動發動機和姿控發動機採用四氧化二氮和一甲基肼推進劑、統一擠壓系統。2台軌道機動發動機推力均為2722公斤，38台姿控發動機推力均為396公斤，6台遊動發動機推力均為11。34公斤。推進劑靠接觸點火。前蘇聯航天飛機採用2台非自燃液氧/煤油軌道機動發動機，每台推力均為3175公斤，採用電火花點火方式、泵壓式推進系統，配置36台姿控發動機用於姿態控制，與軌道機動發動機共用1個儲箱，組成統一的綜合系統。

我國神六航天器採用3台軌道機動發動機，有10多台姿控發動機。變軌技術上已經接近美和前蘇聯，隨著我國新一代雙元非自燃火箭發動機開發成功和新一代大推力運載火箭發動機的高空點火試驗通過，相信我們再次會實現航天大跨越。

美國航天飛機與暴風雪航天飛機的對比

挑戰者號　　　　　　　　　 暴風雪號

長37.2米　　　　　　　　　 長36.4米

翼展23.8米　　　　　　 翼展23.9米

高度17.3米　　　　　　　 高度16.5米

1972年開始研製　　　　　　 1976年開始研製

1981年4月12日首次軌道飛行　 1988年11月15日首次軌道飛行

截至1983年花費178億美元　　 截至1991年1月花費164億盧布